Sensibilità alla luce: Sony IMX183 vs Onsemi AR2020
Gaspar van Elmbt
La sensibilità alla luce è un parametro fondamentale nella scelta delle telecamere industriali per applicazioni imaging in condizioni di scarsa illuminazione. Questo articolo presenta una valutazione comparativa di due sensori: il Sony IMX183 e l'Onsemi AR2020, implementati rispettivamente nelle telecamere MER2-2000-19U3M e MER2-2002-20U3M.
Analizzando i test eseguiti regolando il guadagno, variando i tempi di esposizione e l'amplificazione digitale del segnale, questo studio evidenzia le prestazioni di sensibilità alla luce dei due sensori in condizioni di illuminazione difficili. Poiché entrambe le telecamere erano dotate di obiettivi identici impostati sulla stessa apertura (F2.4) e con caratteristiche ottiche corrispondenti, i risultati possono essere attribuiti esclusivamente alle prestazioni intrinseche dei sensori. Analizzando i test eseguiti regolando il guadagno, variando i tempi di esposizione e l'amplificazione digitale del segnale, lo studio rivela la sensibilità alla luce dei due sensori in condizioni di illuminazione difficili.
Table of contents
| Modello di Telecamera | MER2-2000-19U3M | MER2-2002-20U3M |
|---|---|---|
|
Sensore |
Sony IMX183 Rolling Shutter CMOS |
Onsemi AR2020 Rolling Shutter CMOS |
|
Risoluzione |
5496 x 3672 |
5120 x 3840 |
|
Pixel totali |
20.48 MP |
20 MP |
|
Dimensione pixel |
2.4 um |
1.4 um |
|
Formato ottico |
1" |
1/1.8" |
|
SNR |
42.08 dB |
39.41 dB |
|
Intervallo di guadagno standard |
0 dB - 24 dB |
0 dB - 24 dB |
|
Guadagno (se si utilizza Rimuovi limiti dei parametri) |
0 dB - 27 dB |
0 dB - 50.6 dB |
|
Tempo di esposizione standard |
12us - 1s |
26us - 1s |
|
Esposizione (se si utilizza Rimuovi limiti dei parametri) |
12us - 15s |
26us - 15s |
|
Profondità in bit dei pixel |
8-bit, 12-bit |
8-bit, 12-bit |
Influenza di Gain, Exposure e Digital Shift su IMX183 vs AR2020
Gain, esposizione e digital shift sono caratteristiche chiave che contribuiscono alla capacità di una Telecamera di catturare la luce e influenzare la luminosità e la qualità delle immagini, soprattutto in condizioni di luce variabili.
Test di sensibilità alla luce IMX183 vs AR2020
Test di base di IMX183 vs AR2020
Impostare il guadagno su 0dB. Questo fornisce una base senza rumore aggiuntivo dovuto all'amplificazione.
Per stabilire una misura fondamentale della sensibilità alla luce nativa, entrambe le telecamere sono state testate a guadagno zero (0 dB). I tempi di esposizione sono stati aumentati progressivamente da 40 ms a 50 ms e lo shift digitale (la capacità interna del sensore di amplificare l'uscita digitale) è stato applicato progressivamente fino al massimo consentito da ciascun modello.
- Con un'esposizione di 40 ms senza guadagno, le immagini di entrambi i sensori apparivano relativamente scure, con visibilità limitata dei dettagli della tabella di prova.
- Quando l'esposizione è stata aumentata a 50 ms e il massimo spostamento digitale è stato applicato, il sensore Sony IMX183 ha prodotto immagini leggermente più luminose e con un contrasto più elevato rispetto al sensore Onsemi AR2020 nelle stesse condizioni.
- Il sensore IMX183 mostra una sovraesposizione quando si applica uno spostamento digitale aggressivo e un'esposizione più lunga.
Test del guadagno digitale di IMX183 vs AR2020
Nella fase successiva, entrambi i sensori sono stati testati al massimo guadagno analogico (24 dB) con un tempo di esposizione fisso di 10 ms.
All'aumentare del guadagno analogico da 12 dB a 24 dB, entrambe le telecamere mostrano un chiaro aumento della luminosità dell'immagine a ogni incremento di guadagno. I dettagli della tabella di test diventano gradualmente più visibili in entrambe le telecamere.
- 12 dB Guadagno:
A questo livello di guadagno più basso, entrambi i sensori hanno prodotto immagini relativamente scure, con solo deboli dettagli della tabella di test visibili. L'OnSemi AR2020 appariva leggermente più scuro rispetto al Sony IMX183 in questa fase.
- 18 dB Guadagno:
L'aumento del guadagno a 18 dB ha comportato un miglioramento della luminosità per entrambi i sensori, in particolare nelle aree più chiare delle immagini, rendendo i dettagli della tabella più visibili. Il Sony IMX183 ha mostrato un leggero vantaggio in termini di luminosità complessiva. Tuttavia, il rumore è diventato più evidente nelle regioni più scure di entrambe le immagini.
- 24 dB Guadagno (Massimo):
Entrambe le telecamere raggiungono le immagini più luminose con la massima visibilità dei dettagli. L’IMX183 mantiene un contrasto leggermente superiore. Tuttavia, il rumore e la grana aumentano in modo significativo, riducendo la chiarezza dei dettagli fini in entrambi i sensori.
Test di spostamento digitale di IMX183 vs AR2020
Qui entrambe le telecamere industriali sono impostate al loro guadagno massimo predefinito (24 dB), variando sia il tempo di esposizione che i valori di digital shift.
- Guadagno massimo + Digital Shift iniziale:
Con un'esposizione di 10 ms e un digital shift minimo (shift 1), la Sony IMX183 offre una maggiore luminosità e contrasto. I dettagli del test chart sono ben visibili nelle immagini IMX183, mentre le immagini OnSemi AR2020 risultano moderatamente visibili ma meno luminose.
- Guadagno massimo + Digital Shift massimo:
A parità di tempo di esposizione ma con il massimo digital shift applicato (shift 4 per IMX183, shift 2 per AR2020), le immagini dell’IMX183 risultano estremamente luminose, mostrando una completa sovraesposizione. Al contrario, l’AR2020 rimane bilanciato, con buoni dettagli e contrasto.
Questo suggerisce che, sebbene l’ampio intervallo di digital shift dell’IMX183 consenta un’amplificazione del segnale più aggressiva, ciò comporta il rischio di sovraesposizione e una possibile perdita di gamma dinamica. Per ovviare a questo, ridurre il tempo di esposizione può aiutare a preservare i dettagli dell’immagine.
- Bassa esposizione + Massimo Digital Shift:
Con un tempo di esposizione molto basso (3 ms), guadagno massimo e massimo digital shift, entrambi i sensori recuperano bene la luminosità e i dettagli della tabella, anche se l’IMX183 appare nuovamente più luminoso rispetto all’AR2020.
L’AR2020 mantiene più gradazioni tonali, mentre l’IMX183 tende verso i toni medi più chiari.
- Bassa esposizione + Shift digitale uguale:
Quando entrambe le telecamere sono impostate sullo stesso shift digitale (shift 2) a bassa esposizione e guadagno massimo, i loro livelli di luminosità diventano quasi uguali. Il rumore rimane evidente in entrambi i sensori in queste condizioni.
Espansione dell'intervallo di guadagno: utilizzo della rimozione dei limiti dei parametri per la massima sensibilità
I parametri della Telecamera hanno generalmente limiti definiti in fabbrica per garantire prestazioni ottimali e un'elevata qualità dell'immagine. Tuttavia, per specifiche applicazioni, gli utenti potrebbero aver bisogno di estendere questi intervalli. La funzione "Rimuovi limiti dei parametri" consente di ampliare l'intervallo regolabile di alcuni parametri oltre i valori predefiniti di fabbrica.
Quando questa funzione viene applicata, il guadagno massimo consentito viene esteso come segue:
- MER2-2000-19U3M: da 0 dB fino a 27 dB
- MER2-2002-20U3M: da 0 dB fino a 50,6 dB
Per evitare la sovraesposizione a guadagno molto elevato (50,6 dB), il tempo di esposizione della MER2-2002-20U3M viene ridotto da 10 ms a 0,5 ms
At these very high gain levels, noise becomes a critical factor affecting image quality. Le immagini acquisite a 50,6 dB di guadagno sull'OnSemi AR2020 mostrano una grana e un rumore visibili, che persistono anche quando altre impostazioni vengono adeguate.
Quando si confrontano le immagini tra la Sony IMX183 e l'AR2020 a questi valori estremi di guadagno, entrambe appaiono piuttosto simili; tuttavia, la IMX183 offre complessivamente un'immagine più pulita e luminosa.
Nello scenario di test finale, entrambi i sensori sono stati portati al massimo guadagno, shift digitale e impostazioni di esposizione. In queste condizioni, le immagini IMX183 presentano una forte sovraesposizione, con conseguente perdita significativa di dettagli nelle alte luci e nelle aree luminose.
Al contrario, sebbene le immagini AR2020 abbiano un livello di esposizione inferiore, riescono comunque a rivelare dettagli nelle regioni più scure della chart di test.
Questo evidenzia l'importanza di bilanciare le impostazioni: rimuovere i limiti del sensore consente di estendere la sensibilità, ma aumenta anche il rumore e può degradare la qualità dell'immagine.
Per l'AR2020, ciò comporta un rumore evidente a guadagno estremo, mentre l'IMX183 subisce una perdita totale di dettagli a causa della sovraesposizione.
Conclusioni sulla sensibilità alla luce di IMX183 rispetto ad AR2020
In confronto, il sensore Sony IMX183 offre vantaggi come una dimensione dei pixel maggiore (2,4 µm contro 1,4 µm) e un rapporto segnale-rumore leggermente superiore (42,08 dB contro 39,41 dB), con conseguente migliore sensibilità alla luce per pixel e immagini più pulite. L'Onsemi AR2020, invece, offre un guadagno massimo configurabile molto più elevato, che può renderlo più flessibile in condizioni di luce estremamente bassa dove è necessaria l'amplificazione del segnale, anche se viene introdotto rumore aggiuntivo.
Nel complesso, entrambi i sensori dimostrano solide capacità con solo differenze marginali nella qualità dell'immagine in condizioni standard. L'IMX183 può offrire risultati leggermente più luminosi e puliti grazie alle sue dimensioni dei pixel e al vantaggio in termini di SNR, mentre l'AR2020 si distingue quando sono essenziali impostazioni di guadagno più elevate. La scelta ottimale dipende in ultima analisi dai requisiti specifici della tua applicazione imaging in condizioni di scarsa illuminazione.
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